Vergleichende Bewertung von Wasserstoffpfaden in einem Biogas–LNG-unterstützten Methanisierungs- und Stromsystem: 4E-Analyse und Multi-Objektiv-Optimierung

• Neues System verwendet LNG-Kühlung, CO₂-Abscheidung und Abwärmenutzung. • Vergleich von PEME-, alkalischen und Vanadiumchlorid-Methoden zur Methanproduktion. • Vanadiumchlorid-Methode zeigt höchste Exergieeffizienz und niedrigste Kosten. • Methan- und Wasserstofferträge sind in Vanadiumchlorid-Konfiguration am höchsten. • Multi-Kriterien-Analysen und Grey Wolf Optimierung wurden durchgeführt. Diese Arbeit schlägt ein neuartiges integriertes Energiesystem zur erneuerbaren Methansynthese vor und bewertet drei Wasserstoffproduktionsverfahren: alkalische Elektrolyse, Protonenaustauschmembran-Elektrolyse und Vanadiumchlorid-thermochemischen Zyklus. Im Mittelpunkt der Studie steht die Suche nach der besten Methode für Wasserstoff- und anschließend Methanproduktion unter Einbeziehung von LNG als alleiniges Kühl- und CO₂-Abscheidungsmittel, um wasserbasierte thermische Verschmutzung zu reduzieren und die Prozessintegration zu verbessern. Durch eine detaillierte techno-ökonomische Analyse und Multi-Objektiv-Optimierung mittels Gray Wolf Optimizer wurde die Systemleistung hinsichtlich Exergieeffizienz, Methanproduktionsrate, Ausgangsleistung, harmonisierten Produktkosten und Umweltauswirkung bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Konfigurationen eine hohe Integrations-effizienz erreichen, das Vanadiumchlorid-basierte System jedoch die Elektrolyse-Alternativen deutlich übertrifft, mit höherer Exergieeffizienz, geringeren Produktkosten und deutlich höheren Methanerträgen. Der hier vorgestellte integrierte Vergleichsrahmen und die neuartige Systemkonfiguration bieten wertvolle Einblicke für den zukünftigen Einsatz von Multi-Produkt erneuerbaren Energiesystemen. Unter optimalen Bedingungen erreicht das Protonenaustauschmembran-Elektrolysesystem eine Exergieeffizienz von 31,65 %, harmonisierte Kosten von 0,131 $/kWh und einen Emissionsindex von 0,533 kg/kWh. Das alkalische System zeigt ähnliche Werte mit 31,84 % Exergieeffizienz, 0,130 $/kWh Kosten und 0,531 kg/kWh Emissionsindex. Von den drei Systemen zeigt das Vanadiumchlorid-System mit 38,82 % Exergieeffizienz, den niedrigsten harmonisierten Kosten von 0,106 $/kWh und einem Emissionsindex von 0,474 kg/kWh die beste Leistung. Zudem weist das Vanadiumchlorid-System die kürzeste Amortisationszeit von 5,96 Jahren auf. Diese Arbeit unterstreicht das strategische Potenzial von erneuerbarem Methan als langzeitfähigen, speicherbaren und netzkompatiblen Energieträger zur Unterstützung der Energiewende zu dekarbonisierten Systemen.